锚固加筋技术在高速路基加宽中的应用效果分析

陈碧云

（莆田市交通投资集团有限公司，福建 莆田 351200）

0 引言

在道路改造工程施工中不可避免地会遇到新旧路基衔接的情况，最常用的施工方式便是对原有旧路基边坡实施阶梯处理，并在台阶上方设置土工格栅，使新旧路基形成一个整体。因原始路基宽度的限制，导致台阶分级宽度不足，大大缩短土工格栅在旧路基中的搭接宽度，进而显著降低筋土界面摩擦力，使新旧结合处出现严重的不均匀沉降，导致土工格栅在原始旧路基台阶位置出现滑移现象，进而造成新路基失稳。为有效增强高填方路基拓宽的性能，本文提出一项新的路基加宽锚固加筋技术，能够有效展现加筋性能，确保新旧路基的完美结合，避免结合部位不均匀沉降的产生。

1 路基加宽锚固加筋法作用机理

1.1 锚杆锚固机理分析

锚杆锚固体系是由锚杆杆体、胶结材料以及被锚固结构三部分组成。其承载性能的高低是由锚固技术自身特征决定的，具体包括：锚固体强度、锚固端长度、锚固形式、锚杆规格以及灌浆料强度等。锚杆的抗拔性能取决于锚杆和灌浆体之间的作用力。当二者之间产生相对移动后，锚固区域内的部分位置便会出现破坏，这种情况下二者之间的摩擦阻力便最大程度地发挥效用。

1.2 土工格栅在新老路基结合部拼接中的作用机理

土工格栅在新旧路基结合位置的作用机理，具体体现在以下几个方面：

第一，通过对结合位置水平应力的约束，最大程度地增大土体的抗剪能力，使新旧路基之间的相互作用增大，进而全面提升加宽路基整体的结构稳定性。

第二，降低新旧路基和结合位置的不均匀沉降。土工格栅加筋能有效增强新旧路基之间的整体性能，从而有效降低二者之间的不均匀沉降。

第三，土工格栅和新路基填料之间相互融合，一定程度上阻止了新路基的侧向位移，全面提升了加宽路基的稳定性。

1.3 锚固加筋组合结构机理分析

因各层次筋材在抵抗新路基变形时提供的作用力存在显著差异，选取第i 层筋材进行研究，它所提供的拉力为T

式（1）中：T为筋材的长期设计强度；P为第i 层筋材锚固在台阶上的抗拔力。

在台阶宽度不足，筋材搭接长度较短时，其抗拔力也较小，因此新旧路基所产生的不均匀沉降不易控制。如图1所示，筋材连接旧路基边坡锚杆后，T可升至T，全面展示筋材对高填方路基不均匀沉降变形的约束性能。

图1 锚固加筋组合结构筋材拉应力分布曲线示意图

2 锚固加筋组合结构设计技术

进行高填方路基加宽锚固加筋组合结构设计时，最关键的环节是确定锚杆拉力的设计值。当第i 层筋材所供给的拉力为T时，通过台阶的约束作用抵消掉一部分P后，剩余T全部由锚杆来承受，即：

式（2）中：T为筋材展示的极限拉力，当处于极限平衡状态时，其值为T；P为第i 层筋材的抗拔力；σ′为第i 层筋材上部的纵向压应力；L为第i 层土筋材锚固长度，大小等同台阶宽；b 为筋材实际宽度，在土工格栅加筋土结构中b=lm。

式（3）中：W为路面及车辆作用的荷载；γ 为锚固范围折减系数；h为锚固厚度。

锚杆中的拉力：

式（4）中：P为锚杆承受的第i 层拉力；S为相邻锚杆间的横向间距；ω 为锚杆和水平方向的夹角。

通过计算得出锚杆中拉力设计值，便能结合旧路基土质的力学性能指标，确定锚杆的材质、长度及杆径等。

3 锚固加筋技术控制高填方路基加宽的效果分析

为探究锚固加筋技术在高填方加宽路基中的应用效果，选取某高速公路拓宽的实际工程案例实施数值分析。

3.1 工程概况

某高速公路改扩建工程总长度43.5km，设计将原始双向四车道拓展为双向八车道。原始路基宽度26m，高度8m，沿原始路基左右两侧分别加宽8m。地表下方土层分布为粉质黏土（厚10.0m）、黏土（厚10.2m）、粉土(厚10.5m)。

3.2 模型建立与参数选取

因影响高速公路路基加宽的因素较多，为便于计算，做出如下假设：

第一，将其作为平面，实施二维有限元模拟；

第二，应用M-C 理想弹塑性模型；

第四，旧路基与地基之间的原始应力由其二者自身荷载产生。

结合运算断面构建有限元分析模型。土层相关计算参数见表1，格栅及锚杆相关参数指标见表2。

表1 土层计算参数

表2 格栅计算参数

拉筋和土体间的应力传递和界面的力学性能密切相关，地层分布情况如图2所示。

图2 地基土层分布

3.3 计算结果分析

为了解该方案的实际效果，通过三种拓宽方式进行比较。具体方案如下：

第一，开挖台阶；

第二，开挖台阶+土工格栅加筋；

第三，开挖台阶+土工格栅加筋+锚杆加固。

3.1.2 二次压缩结构 在完成一次压缩后，枝丫材捆被间歇式带入二次压缩料仓中，再由二次压缩机构对枝丫材进行二次压缩，完成枝丫材的整体压缩成型程序，并为下步的打捆程序做好准备。该系统主要由半圆型压板、二次压缩油缸、机架、移动横梁、转轴等部分组成。系统结构见图6。

3.3.1 地基变形效果分析

（1）地表竖向沉降

通过有限元模拟结果能够看出，采用土工格栅的治理效果不太理想，与仅开挖台阶的处理方式相比，新路面沉降量降低了0.3%。而在采用锚固加筋技术后新路表的沉降量降低了7.1%，有效分散了基底应力。

（2）地表水平位移

通过有限元模拟结果能够看出，采用土工格栅的治理效果与仅开挖台阶的处理方式相比，新路地表水平位移降低了14.0%，而在采用锚固加筋技术后新路地表水平位移降低了40.5%。

3.3.2 路基面沉降效果分析

图3表示采用不同方案处理后新旧路基面工后附加沉降曲线。通过图中曲线能够看出，方案二对新路基面的工后沉降和差异沉降有轻微改变，最严重的沉降部位仍处于新旧路基交接部位，路面坡比改变量为0.56%，高于现行规范允许值。而通过方案三处理后路基表面工后沉降得到明显改善，降低了12.8%，同时不均匀沉降现象也有效改善，路面坡比改变量仅为0.35%，符合标准要求。

图3 不同方式处治后路基面工后附加沉降

3.3.3 格栅受力分析

图4表示通过方案二治理后格栅的实际受力状况。整体来看，格栅拉力严重不足，极限拉力为16.2kN/m。图5表示通过方案三处理后格栅实际受力状况。当高度为2m 时格栅所承受的拉力最大，最大值为84.6kN/m，高度为4m 时格栅承受拉力为57.1kN/m，均位于新旧路基结合处，当高度为6m 时，格栅受力较低，但相对于方案二处理效果，效果依然可观。总体来讲，锚固加筋组合结构有效提升了格栅的抗拉性能，更加科学有效地提升新旧路基结合处整体稳定性。

图4 方案二处治时各层格栅受力大小

图5 方案三处治时各层格栅受力大小

3.3.4 高填方路基加宽的稳定性分析

通过有限元强度折减法分别得出了三种治理工况的安全系数，依次为：2.408、2.562、3.047。通过数据能够看出，在高填方路基加宽施工中应用锚固加筋组合结构，能有效提升其结构稳定性和可靠性。

4 结语

公路改扩建施工中，科学有效地完成新旧路基之间的结合，从根本上防止结合部位产生不均匀沉降，成为公路路基加宽施工的难题。本文引入了路基加宽锚固加筋技术，利用锚杆施工原理对开挖后的旧路基边坡实施加固，通过锚杆中固定的钢筋与土工格栅之间的连接，使土工格栅和旧路基形成整体，大大增加其整体稳定性。同时，采用有限元计算机模拟技术，对三种方案加宽路基产生的地基沉降与水平位移、路基表面沉降和格栅受力情况进行了全面分析。数据显示，在高填方路基加宽施工中应用锚固加筋法，可大幅度提升格栅的抗拉性能，有效控制新旧路基不均匀沉降，从根本上提升新旧路基结合处整体稳定性。